Hướng dẫn về thép không gỉ Austenitic hiệu suất cao -- Tổng quan về luyện kim
Feb 02, 2023
1. Các loại inox
Thép không gỉ là một hợp kim dựa trên sắt có hàm lượng crom không dưới 10,5%. Nó được sử dụng rộng rãi vì khả năng chống ăn mòn tốt và hiệu suất nhiệt độ cao. Khi hàm lượng crom đạt 10,5%, một lớp oxit giàu crom sẽ được hình thành trên bề mặt thép, được gọi là lớp thụ động hóa hoặc màng thụ động. Bộ phim này bảo vệ thép không gỉ khỏi rỉ sét như thép thông thường. Có nhiều loại thép không gỉ, nhưng tất cả thép không gỉ đều phải đáp ứng yêu cầu về hàm lượng crom tối thiểu.
Thép không gỉ được chia thành năm loại: thép không gỉ austenit, thép không gỉ ferit, thép không gỉ song công (có cấu trúc hỗn hợp của ferit và austenit), thép không gỉ martensitic và thép không gỉ cứng kết tủa. Việc phân loại các loại này có liên quan đến cấu trúc tinh thể (sự sắp xếp nguyên tử) và xử lý nhiệt của thép không gỉ. Một nhóm các tinh thể có cùng cấu trúc tinh thể trong kim loại được gọi là pha. Có ba giai đoạn chính trong thép không gỉ: austenite, ferrite và martensite. Loại và số lượng cấu trúc kim loại của thép không gỉ có thể được xác định bằng quy trình kiểm tra kim loại tiêu chuẩn và kính hiển vi quang học kim loại.
Đặc điểm của thép không gỉ austenit là cấu trúc kim loại chủ yếu là austenit. Cấu trúc tinh thể của pha austenite là cấu trúc lập phương tâm diện (fcc), nghĩa là có một nguyên tử ở mỗi góc và tâm của mỗi mặt của khối lập phương. Ngược lại, cấu trúc tinh thể của pha ferit là cấu trúc lập phương tâm khối (bcc), với một nguyên tử ở mỗi góc và tâm của khối lập phương. Cấu trúc tinh thể của pha martensite là cấu trúc tứ giác tập trung vào cơ thể có độ căng cao.
Cấu trúc tinh thể của pha austenit là mạng lập phương tâm diện (fcc), pha ferit là mạng lập phương tâm khối (bcc) tập trung vào cơ thể và pha mactenxit là mạng tứ giác (bct) tập trung vào cơ thể.
1.1 Thép không gỉ Austenit:
Thép không gỉ Austenitic không có từ tính, cường độ năng suất trung bình, tốc độ làm cứng cao, độ bền kéo cao, độ dẻo tốt và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tuyệt vời. Không giống như các loại thép không gỉ khác, độ dẻo dai của thép không gỉ austenit giảm dần khi nhiệt độ giảm. Thép không gỉ Austenitic không có nhiệt độ chuyển tiếp dẻo-giòn xác định (DBTT), vì vậy nó là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng nhiệt độ thấp.
Biểu đồ nhiệt độ chuyển tiếp dẻo-giòn (ĐBTT) của thép không gỉ austenit, ferritic và song công (austenit-ferritic). DBTT thực tế phụ thuộc vào độ dày tiết diện, thành phần hóa học và kích thước hạt. DBTT của thép không gỉ ferit nói chung là 20 đến - 30 độ C (70 đến - 22 độ F).
Thép không gỉ Austenitic có khả năng hàn tốt và có thể được chế tạo thành nhiều hình dạng phức tạp khác nhau. Loạt thép không gỉ này không thể được làm cứng hoặc tăng cường bằng cách xử lý nhiệt, nhưng có thể được tăng cường bằng cách tạo hình nguội hoặc làm cứng (xem ASTM A666). Thép không gỉ austenit, đặc biệt là thép không gỉ austenit tiêu chuẩn, có một nhược điểm tiềm ẩn, đó là so với thép không gỉ ferritic và thép không gỉ song công, nó dễ bị nứt do ăn mòn do ứng suất clorua.
300 series hoặc thép không gỉ austenit tiêu chuẩn thường chứa 8% ~ 11% niken và 16% ~ 20% crom. Cấu trúc kim loại của thép không gỉ austenit tiêu chuẩn chủ yếu bao gồm các hạt austenit và chứa một lượng nhỏ (thường là 1~5 phần trăm ) pha δ Ferit (Hình 3). Do sự hiện diện của pha ferrite, các loại thép không gỉ austenit này có một chút từ tính.
Cấu trúc kim loại điển hình của thép không gỉ rèn 304L bao gồm các hạt austenit và ferit dải riêng lẻ © TMR Stainless.
So với thép không gỉ sê-ri 300, thép không gỉ austenit sê-ri 200 có hàm lượng Ni thấp hơn, nhưng hàm lượng Mn và N cao hơn. Hệ số cường độ và độ cứng của thép không gỉ sê-ri 200 cao hơn thép không gỉ sê-ri 300. Do hàm lượng niken thấp, thép không gỉ sê-ri 200 đôi khi được sử dụng như một chất thay thế rẻ tiền cho thép không gỉ sê-ri 300.
Cấu trúc tế vi của thép không gỉ austenit hiệu suất cao đều là pha austenit không có sắt từ (Hình 4). So với thép không gỉ austenit tiêu chuẩn, thép không gỉ austenit hiệu suất cao chứa nhiều nguyên tố niken, crom và molypden hơn, và thường chứa nitơ. Những loại thép không gỉ này có khả năng chống ăn mòn mạnh trong môi trường ăn mòn như axit mạnh, kiềm mạnh và môi trường clorua cao, bao gồm nước lợ, nước biển và nước mặn. So với thép không gỉ austenit tiêu chuẩn, thép không gỉ austenit hiệu suất cao có cấp độ bền cao hơn và khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất tốt hơn.
Cấu trúc kim loại của thép không gỉ austenit hiệu suất cao 6 phần trăm Mo, tất cả bao gồm các hạt austenit © TMR Stainless.
1.2 Thép không gỉ Ferit:
Cấu trúc vi mô của thép không gỉ ferit là pha ferit. Thép không gỉ Ferritic có hàm lượng niken thấp hoặc không có và có tính chất sắt từ. Nó không thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt. Tính chất sắt từ của loại thép không gỉ này tương tự như tính chất sắt từ của thép cacbon. Thép không gỉ Ferritic có độ bền tốt và khả năng chống nứt do ăn mòn do ứng suất clorua tốt hơn nhiều so với thép không gỉ austenit sê-ri 300 tiêu chuẩn. Tuy nhiên, khả năng định dạng và khả năng hàn của chúng kém. Độ dẻo dai của chúng không tốt bằng thép không gỉ austenit và sẽ giảm khi độ dày tiết diện tăng lên. Với sự giảm nhiệt độ, thép không gỉ ferritic sẽ cho thấy sự chuyển đổi dễ uốn rõ ràng. Bị giới hạn bởi các yếu tố này, việc sử dụng thép không gỉ ferritic thường chỉ giới hạn ở các sản phẩm có độ dày thành mỏng hơn, chẳng hạn như tấm mỏng, dải và ống thành mỏng.
1.3 Thép không gỉ song công:
Thép không gỉ song công bao gồm pha ferrite và pha austenite, mỗi loại chiếm khoảng một nửa. Thép không gỉ Duplex có nhiều đặc tính của thép không gỉ Austenit và Ferit. Mặc dù xử lý nhiệt không thể làm cứng các loại thép như vậy, nhưng cường độ năng suất của chúng thường gấp đôi so với thép không gỉ austenit tiêu chuẩn và lực hút từ tính của chúng tỷ lệ thuận với phần thể tích của pha ferit. Đặc tính song công của cấu trúc kim loại của thép không gỉ song công làm cho khả năng chống ăn mòn ứng suất của nó tốt hơn so với thép không gỉ austenit tiêu chuẩn.
1.4 Thép không gỉ Mactenxit:
Cấu trúc vi mô của thép không gỉ martensitic chủ yếu là martensite, có thể chứa một lượng nhỏ các pha thứ cấp như ferrite, austenite và cacbua. Thép không gỉ Martensitic là sắt từ và tương tự như thép carbon. Độ cứng cuối cùng phụ thuộc vào xử lý nhiệt cụ thể. Thép không gỉ Martensitic có độ bền cao, khả năng chống mài mòn tốt, độ bền kém và nhiệt độ chuyển tiếp dẻo-giòn cao. Chúng rất khó hàn và thường yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn. Do đó, thép không gỉ martensitic thường được giới hạn trong các ứng dụng không hàn. Hàm lượng crom của thép không gỉ martensitic không quá cao. Một số nguyên tố crom kết tủa ở dạng cacbua, dẫn đến khả năng chống ăn mòn thấp, thường thấp hơn thép không gỉ austenit 304/304L tiêu chuẩn. Do độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn kém, thép không gỉ martensitic thường được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ cứng cao, chẳng hạn như dụng cụ, ốc vít và trục.
1.5 Thép không gỉ cứng kết tủa:
Thép không gỉ làm cứng kết tủa (PH) cũng có thể được tăng cường bằng cách xử lý nhiệt. Đặc điểm cơ bản của loại thép không gỉ này là khả năng tăng cường một phần của nó đạt được nhờ cơ chế kết tủa. Kết tủa intermetallic mịn được tạo ra bằng cách xử lý nhiệt làm cứng lão hóa để cải thiện sức mạnh. Do hàm lượng crom cao, thép không gỉ cứng kết tủa có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thép không gỉ martensitic và phù hợp cho các ứng dụng cường độ cao cần khả năng chống ăn mòn tốt. Thép không gỉ làm cứng kết tủa chủ yếu được sử dụng cho lò xo, ốc vít, bộ phận máy bay, trục, bánh răng, ống thổi và các bộ phận động cơ phản lực.
2. Thành phần pha:
Các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến mối quan hệ cân bằng pha và có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự ổn định của các pha austenite, ferrite và martensite. Các nguyên tố được thêm vào thép không gỉ có thể được chia thành các nguyên tố tạo pha ferit hoặc các nguyên tố tạo pha austenit. Cân bằng pha phụ thuộc vào thành phần hóa học, nhiệt độ ủ và tốc độ làm nguội của thép. Khả năng chống ăn mòn, độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và khả năng định dạng đều bị ảnh hưởng bởi trạng thái cân bằng pha.
Các nguyên tố hình thành ferit góp phần hình thành pha ferit, trong khi các nguyên tố hình thành austenit thúc đẩy sự hình thành pha austenit. Bảng 3 liệt kê các nguyên tố hình thành pha ferit và austenit phổ biến. Loại thép không gỉ và ứng dụng của nó xác định sự cân bằng pha cần thiết. Hầu hết các loại thép không gỉ austenit tiêu chuẩn đều có một lượng nhỏ pha ferit trong quá trình ủ dung dịch. Giải pháp ủ có thể cải thiện khả năng hàn và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, nếu hàm lượng pha ferrite quá cao, các tính chất khác như khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai sẽ bị giảm. Thép không gỉ austenit hiệu suất cao được thiết kế theo tất cả các pha austenit trong điều kiện ủ dung dịch.
Để kiểm soát thành phần pha của thép và do đó kiểm soát các tính chất của thép, cần phải giữ cho các nguyên tố hợp kim ở trạng thái cân bằng. Sơ đồ cấu trúc Schaeffler (Hình 5) phản ánh mối quan hệ giữa thành phần hóa học của thép không gỉ và cấu trúc pha dự kiến ở trạng thái hóa rắn, như được tiết lộ bởi vi cấu trúc mối hàn. Bằng cách này, người dùng có thể dự đoán trạng thái cân bằng pha dựa trên thành phần hóa học nhất định. Tính "đương lượng niken" và "đương lượng crom" từ thành phần hóa học và vẽ chúng trong hình. Công thức các thông số chung của sơ đồ tổ chức Schaeffler như sau:
Niken tương đương{{0}} phần trăm Ni cộng với 30 phần trăm C cộng với 0,5 phần trăm Mn cộng với 30 phần trăm N
Đương lượng crom{{0}} phần trăm Cr cộng với phần trăm Mo cộng với 1,5 phần trăm Si cộng với 0,5 phần trăm Nb
Thép không gỉ austenit hiệu suất cao điển hình chứa khoảng 20 phần trăm Cr, 6 phần trăm Mo, 20 phần trăm Ni và 0,2 phần trăm N, nằm trong vùng pha austenit một pha trong hình, gần vùng "ferit". " dòng có đương lượng niken khoảng 24 và crom tương đương khoảng 26. Ngược lại, thành phần hóa học của thép không gỉ tiêu chuẩn (chẳng hạn như 304) tương ứng với vùng song công của austenit cộng với ferit (A cộng với F) với một lượng nhỏ ferit giai đoạn. Thép không gỉ Ferritic nằm trong vùng pha ferit trong hình và thép không gỉ song công nằm trong vùng song công austenit cộng ferit (A cộng F).
